高原犬低氧适应研究进展

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(公安部南京警犬研究所，江苏 南京 210012)

氧气是生物有机体进行新陈代谢的必要因素。低氧是高原地区最主要的环境限制性因子之一，随着海拔的升高，氧气进入循环系统变得较为困难，导致动物机体缺氧，进而影响机体的能量代谢和生理行为，严重的甚至导致组织坏死。世居高原的动物和人机体会出现一系列的生理性适应性改变，包括毛细血管数量和密度增加、肺血管阻力下降、无氧代谢能力增强、低氧诱导因子激活等，这些生理适应性改变是在长时间的演化过程中形成的，以便于更好的应对高原低氧环境。

为了维护高原地区的安全和稳定，公安机关对于适应高原环境的警犬的需求日趋强烈。而目前我国高原地区警犬大部分都是从低海拔地区转运过去的，由于都是在低海拔地区生长训练的犬，到了高海拔地区后大部分犬会产生不同程度的高原反应，从而影响工作。为了克服这种现象，本文从高原犬血液学特征、肺组织的结构和功能、低氧适应基因等方面对世居高原的犬低氧适应性进行分析、综述，以期为有高原反应的警犬提供合理的治疗方法，同时为培育适应高原低氧环境的警犬提供理论依据。

1 高原犬的血液学特征

在生物体内，红细胞和血红蛋白负责氧气的运输，以满足机体对氧气的需要。红细胞数和血红蛋白增多是许多生活在高原环境动物的血液学特征。有研究报道，与平原地区犬种相比，高原地区犬有着较低的红细胞比容、平均红细胞体积，但红细胞平均血红蛋白浓度显著高于平原地区犬种。血液红细胞比容和平均红细胞体积小，有利于降低血液的粘稠度，减小血液循环阻力，保证血液的流动速度，减轻心脏负担，提高血液运输氧气的能力。高原犬低红细胞比容和低平均红细胞体积的血液性状与高原鼠兔、高原鼢鼠以及藏羚羊的血液性状相类似。

2 高原犬肺组织的结构与功能

肺不仅参与氧气和二氧化碳的交换，而且还是机体很多物质合成和代谢的场所，是呼吸系统中重要的功能器官。世居高原地区最典型的犬种是藏獒。藏獒的肺组织结构与平原地区犬相比有明显的特点。藏獒的肺脏较大，比同等体型的犬大三分之一以上，肺活量比其他犬种也大的多。有研究报道，藏獒肺胸膜较厚，有大量的弹性纤维和胶原纤维，肺表面有很多高低不平的皱襞，这种结构有利于肺在机体强烈呼吸时的扩张与回缩。藏獒肺泡隔内有许多毛细血管，这些血管呈扩张状态，其内有大量红细胞，这对增加氧气的运输和肺泡通气至关重要。高原兔和藏羊的肺组织也有相似的观察结果。此外，藏獒肺呼吸部有发达的多分支肺泡管，这种肺泡管构成了肺的主要空间支架，在其周围连通着大量呈萎陷状态的肺泡。在正常情况下，藏獒的呼吸主要靠肺泡管以及近周的肺泡和血管完成，而当剧烈奔跑时，才会动用到那些大量呈萎陷状态的肺泡，这样藏獒也就拥有比平原动物大得多的贮备力。这些都是藏獒适应高原低氧环境的重要机制。

3 高原低氧适应相关基因

3.1 内皮PAS1蛋白(EPAS1)基因

EPAS1是1997年在内皮细胞中首次发现的，该基因是低氧诱导途径中的关键基因，与低氧诱导的正性调节相关，参与红细胞生成素、血管内皮生长因子、内皮型一氧化氮合酶相关基因的上游调节。EPAS1主要在肺、胎盘和内皮细胞中表达，在低氧环境下，EPAS1基因编码合成的低氧诱导因子2α蛋白(HIF-2α)明显升高，从而诱导众多抗低氧基因的表达，参与细胞内氧平衡状态的调节，在低氧适应机制中发挥重要作用。有研究报道，EPAS1基因与藏族人低血红蛋白浓度呈强相关，且在低海拔人群和高海拔人群中存在明显差异。在犬中，EPAS1基因也编码HIF-2α蛋白。有学者在高原犬类的EPAS1基因中发现了四个相关的非同义突变，扩展实验也证明其中一个突变位点在高原犬中突变型等位基因频率达到95%，而平原犬中这一数值仅为4.9%。此结果说明，EPAS1基因在高原犬的低氧适应机制中起到至关重要的作用。

3.2 血管内皮生长因子基因(VEGF)

VEGF又称血管通透因子，广泛分布于人和动物的各个组织，是内皮细胞增殖和血管再生的关键调控因子。有研究称，动物组织微血管密度的大小与其对低氧的适应性有关，而VEGF基因的表达水平又与微血管密度成正相关。低氧环境可以刺激VEGF-A及其受体在动物和人组织细胞、内皮细胞中发挥促进新生血管内皮增殖及增加血管通透性的功能。此外，VEGF是低氧诱导因子1(HIF-1)的下游调控基因，低氧可以通过对HIF-1表达的调控进而影响VEGF基因的表达〗。有研究报道，高海拔地区人群血清VEGF水平显著高于低海拔人群。高原鼢鼠骨骼肌VEGF165基因表达水平显著高于SD大鼠。对于犬而言，2 300 m海拔的犬VEGF水平显著高于处于海拔700～900 m的犬。高海拔地区犬VEGF的表达量高可能是犬高原适应性的机制之一。

3.3 促红细胞生成素基因(EPO)

EPO主要由肾脏肾小管旁细胞产生，是一类重要的细胞因子。EPO能促使造血干细胞分化，对红细胞生成有决定性的作用，是最早发现与低氧有关的基因。在机体供氧不足的情况下，EPO基因表达水平明显升高。EPO是通过增加红细胞压积与血液粘稠度来提高血液的携氧能力，进而改善高原性缺氧的症状。EPO和VEGF相同，也是HIF-1的下游调控基因，低氧通过改变HIF-1的表达进而影响EPO的水平。此外，EPO还有很强的促血管生长作用。有研究报道，不同海拔高原鼢鼠肝脏和肾脏EPO基因的相对表达量随海拔升高而显著增加。藏猪EPO基因表达量显著高于低海拔地区的猪。在犬中，有研究报道，海拔2 300 m的犬来到海拔3 500 m时， EPO的水平显著升高。目前在犬上对于EPO和高原适应性之间的研究还仅限于生理改变上的描述，对于其基因的研究并没有深入。

3.4 血红蛋白β基因(HBB)

血红蛋白由血红素和珠蛋白结合而成，起着运输氧气和二氧化碳，维持血液酸碱平衡的作用。HBB基因编码的β肽链组成的β珠蛋白是构成血红蛋白的重要组成因素。有研究报道，在氧气从肺部输送交换至全身各器官的过程中，HBB基因发挥了重要的作用。对安第斯蜂鸟和高原鹿鼠的研究表明，高原低氧环境会使血红蛋白α和β链发生突变，影响血红蛋白与氧的亲和力，进而影响对氧气的利用效率。有学者采用了全基因组深度测序的方法，在不同海拔犬类的基因组中鉴定到高度分化的区域，其中就包括HBB基因。高原犬HBB基因中有两个非同义突变，扩展实验证明，HBB的突变型等位基因频率在高原犬中为86.4%，在低海拔犬中仅为17.7%，由此证明，HBB基因在高原犬的低氧适应过程中至关重要。

3.5 Sirtuin7(SIRT7)

SIRT7是Sirtuins蛋白家族(组蛋白去乙酰化酶类)中的一员，主要定位于核仁，是RNA聚合酶I复合物的一部分，对特定底物具有脱乙酰化物酶的活性，可通过多种途径进行调控基因转录、蛋白合成以及细胞应激等过程。此外，SIRT7还参与相关疾病的进程。SIRT7缺失的小鼠会导致p53高乙酰化，从而导致心肌肥大和炎症性心肌病。有研究报道，SIRT7在有或无催化活性的条件下都能下调HIF，SIRT7通过羟基化作用于HIF介导的蛋白质。相反，低水平的SIRT7能够增加HIF的表达和转录活性。通过对高原犬的基因组图谱分析发现，SIRT7是与犬高原适应性相关的候选基因，但其具体的功能还需进一步深入研究。

4 小结

目前，我国高原地区对于警犬的需求日趋强烈，对犬低氧适应机制的研究有助于为有高原反应的犬提供合理有效的治疗方法，同时，也能为培育适应高原低氧环境的犬提供理论依据。鉴于目前对高原犬低氧适应机制的研究不够深入的情况，研究者们应整合目前所发现的所有犬高原适应性研究的相关基因的分子机制和生理基础，将研究重心放在这些基因的变异是否有助于改善犬的高原反应上。同时，利用现代分子生物学的方法，探索和验证相关信号转导通路。相信随着研究的进一步深入，更多犬高原低氧相关基因及其作用机制将被发现，这将为培育适应高原低氧环境的犬的研究提供目标基因，对警犬事业的发展产生积极影响。